Software para el control automático digital del servocontrol SAD 100

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(1)Departamento de Automática y Sistemas Computacionales. : Software para el control automático digital del servocontrol SAD-100. : Juan Alberto Martín Besada : Dr.C. Roberto Luis Ballesteros Horta. , julio 2018.

(2) Universidad Central “Marta Abreu” de Las Villas Facultad de Ingeniería Eléctrica Departamento de Automática y Sistemas Computacionales. TRABAJO DE DIPLOMA Software para el control automático digital del servocontrol SAD-100 Autor: Juan Alberto Martín Besada Email: [email protected] Tutor: Dr.C. Roberto Luis Ballesteros Horta Dpto. de Automática, Facultad de Ing. Eléctrica, UCLV Email: [email protected]. Santa Clara 2018 "Año 60 de la Revolución".

(3) Este documento es Propiedad Patrimonial de la Universidad Central “Marta Abreu” de Las Villas, y se encuentra depositado en los fondos de la Biblioteca Universitaria “Chiqui Gómez Lubian” subordinada a la Dirección de Información Científico Técnica de la mencionada casa de altos estudios. Se autoriza su utilización bajo la licencia siguiente: Atribución- No Comercial- Compartir Igual. Para cualquier información contacte con: Dirección de Información Científico Técnica. Universidad Central “Marta Abreu” de Las Villas. Carretera a Camajuaní. Km 5½. Santa Clara. Villa Clara. Cuba. CP. 54 830 Teléfonos.: +53 01 42281503-1419.

(4) i. PENSAMIENTO. Si tú crees que puedes, puedes. Si tú crees que no puedes, no puedes. Tanto si piensas una cosa como la otra, estás en lo cierto. Henry Ford.

(5) ii. DEDICATORIA. A mis padres, Leticia y Juan Antonio, por ser mi inspiración y alentarme siempre a seguir por el difícil camino de la ciencia..

(6) iii. AGRADECIMIENTOS. A mis padres, por guiarme y aconsejarme desde siempre. A mi novia Maday, por estar a mi lado en todo momento y alentarme para seguir adelante. A mi abuela Daisy, que siempre ha estado ahí con buenos consejos. A mi prima Odarbys, quien desde la distancia me animó en el momento más difícil, el comienzo. A mi tutor Roberto Ballesteros, por guiarme y aconsejarme con sabiduría durante el desarrollo de este trabajo. A Raulito y Mabel por acogerme con cariño en estos meses. A mis amigos: Pino, José Alberto, Luis Javier, Ana Maira, Diony, Javier, Abelito, Rubén, Annalie, Yazmany y Daniel. A todos mis profesores que me han formado en estos años. A todos muchas gracias..

(7) iv. RESUMEN. El empleo de la simulación por computadora contribuye a la adquisición de conocimientos y habilidades de situaciones reales. La presente investigación se realiza para los laboratorios de la carrera de Ingeniería en Automática de la Universidad Central “Marta Abreu” de Las Villas con el objetivo de diseñar un software para el control automático digital del servocontrol SAD-100 que incluya consideraciones prácticas con el propósito de mejorar la formación integral de los estudiantes como ingenieros. El diseño del mismo se realiza en el software LabVIEW. Para la valoración de los resultados se efectúan pruebas simuladas y reales. En cada caso se simula inicialmente con valores ideales y posteriormente se introducen varias consideraciones prácticas para analizar su efecto en la salida del sistema. Se realiza una valoración económica y medioambiental de la aplicación de este trabajo. La utilización del software creado permite mejorar el proceso de formación de los estudiantes de la carrera Ingeniería en Automática..

(8) v TABLA DE CONTENIDOS. PENSAMIENTO .....................................................................................................................i DEDICATORIA .................................................................................................................... ii AGRADECIMIENTOS ........................................................................................................ iii RESUMEN ............................................................................................................................iv INTRODUCCIÓN .................................................................................................................. 1 Organización del informe ................................................................................................... 4 CAPÍTULO 1. 1.1. Control digital en procesos reales y virtuales ............................................ 5. Control digital .......................................................................................................... 5. 1.1.1. Breve historia del control digital ...................................................................... 5. 1.1.2. Control digital directo ....................................................................................... 6. 1.2. Tiempo real .............................................................................................................. 8. 1.2.1. Definición de un sistema de tiempo real ........................................................... 8. 1.2.2. Software para trabajo en tiempo real ................................................................ 9. 1.3. Simulación.............................................................................................................. 12. 1.3.1. Breve historia de la simulación ....................................................................... 12. 1.3.2. Simulador de procesos .................................................................................... 13. 1.4. Sistemas de control ................................................................................................ 15. 1.4.1. Clasificación general de sistemas de control .................................................. 15. 1.4.2. Controlador PID .............................................................................................. 16. 1.5. Consideraciones prácticas en la implementación de algoritmos de control en. procesos simulados ........................................................................................................... 20 1.6. Antecedentes de software para el control de procesos simulados.......................... 23.

(9) vi 1.7. Consideraciones finales del capítulo ...................................................................... 25. CAPÍTULO 2.. Diseño del software para el control digital del SAD-100........................ 26. 2.1. Caracterización del SAD-100 ................................................................................ 26. 2.2. Caracterización de la tarjeta de adquisición de datos NI USB-6212 ..................... 32. 2.3. Selección de funciones y ejemplos de LabVIEW .................................................. 33. 2.3.1. Ejemplos y funciones de PID.......................................................................... 34. 2.3.2. Funciones de adquisición de datos.................................................................. 35. 2.3.3. Ejemplo seleccionado ..................................................................................... 36. 2.4. Diseño .................................................................................................................... 38. 2.4.1. Interfaz hombre-máquina ................................................................................ 38. 2.4.2. Proceso ............................................................................................................ 40. 2.4.3. Regulador ........................................................................................................ 41. 2.5. Programación en LabVIEW ................................................................................... 43. 2.6. Consideraciones finales del capítulo ...................................................................... 45. CAPÍTULO 3. 3.1. Pruebas y resultados ................................................................................ 46. Pruebas simuladas .................................................................................................. 46. 3.1.1. Pruebas con LabVIEW ................................................................................... 46. 3.1.2. Prueba con MATLAB ..................................................................................... 50. 3.1.3. Prueba de tiempo real ..................................................................................... 51. 3.2. Pruebas reales ......................................................................................................... 52. 3.3. Guía para práctica de laboratorio ........................................................................... 57. 3.4. Valoración económica e impacto medioambiental ................................................ 57. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES ................................................................... 59 Conclusiones ..................................................................................................................... 59.

(10) vii Recomendaciones ............................................................................................................. 59 REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS ................................................................................. 61 ANEXOS .............................................................................................................................. 64 Anexo I. Tabla de la característica estática del servomotor .......................................... 64. Anexo II. Implementación de las no linealidades ....................................................... 66. Anexo III. Lazo de control programado en LabVIEW ................................................. 66. Anexo IV. Pruebas simuladas ....................................................................................... 67. Anexo V. Pruebas reales ............................................................................................. 71. Anexo VI. Guía para práctica de laboratorio ................................................................ 74.

(11) INTRODUCCIÓN. 1. INTRODUCCIÓN. En los últimos años el control digital se ha aplicado cada vez más en el manejo y supervisión de los procesos industriales. Ello se explica porque permite mayor automatización y coordinación en la operación de las plantas, que las logradas con los sistemas analógicos de control. Este proporciona múltiples ventajas ya que incrementa la productividad del trabajo humano, provee ahorros económicos por concepto de materias primas, energía, combustibles y demás insumos de una planta industrial. Por otra parte mejora el control de la calidad de la producción, el sistema de seguridad de la planta y reduce el número de accidentes (Kuo, 2000). Los sistemas de control digital en comparación con los analógicos presentan una serie de mejoras que justifican porque en la actualidad son los más utilizados a nivel global. Cuando se desea modificar algunos de sus parámetros no es necesario realizar cambios en el cableado, basta con modificar la programación. Son menos vulnerables a los ruidos procedentes de las redes eléctricas y a los ocasionados por sucesos externos al sistema de control, como arranque y parada de motores o descargas y cortos en las líneas de potencia. Una de las variantes del control digital es el control digital directo, en el cual el controlador del sistema lo constituye la computadora. La simulación se ha utilizado en el descubrimiento de soluciones exactas a problemas clásicos de la industria y la ingeniería. En años recientes el avance de la informática y las tecnologías ha permitido que la simulación pueda ser empleada prácticamente en todos los campos de la ciencia y la ingeniería (Rodríguez, 2016). La simulación tiene una estrecha relación con el entrenamiento, la misma ha permitido crear entrenadores que permiten adquirir conocimientos y habilidades en situaciones cotidianas..

(12) INTRODUCCIÓN. 2. El uso eficiente de la simulación tiene un alto impacto económico, pues permite estudiar y evaluar diferentes fenómenos de la ingeniería con pocos recursos (Hosseinpour and Hajihosseini, 2009). Cuando se simula es posible realizar muchas repeticiones virtuales del proceso en estudio y variar sus parámetros. Para que dicha simulación tenga éxito es necesario ajustar el modelo virtual con el real. Algunos ejemplos que evidencian lo antes mencionado son: el entrenamiento de pilotos de aviación en simuladores físicos; el uso de simuladores en la industria petrolera para la optimización y reducción de costos; en la industria química en general y los entrenadores de sencillos sistemas de control (Aguirre and Guarnizo, 2008) (Villegas, 2007). En los laboratorios el uso de la simulación brinda la posibilidad de crear varios puestos de trabajos para estudiar un proceso sin la necesidad de tener en cada uno de ellos el equipamiento completo. Es un hecho que en el Departamento de Automática de la Universidad Central “Marta Abreu” de Las Villas existen insuficiencias en el número de equipos que permitan a los estudiantes realizar prácticas reales durante la carrera; esto influye negativamente en el desarrollo del proceso de aprendizaje y por consiguiente en la formación integral de los alumnos. Por otra parte no es muy común tener en cuenta consideraciones prácticas cuando se diseñan los sistemas de control. En la actualidad existen dos servomotores SAD-100, que son utilizados para impartir la asignatura Herramientas de Software para el Control, esto permite crear dos puestos de trabajo para prácticas reales, por lo que se requiere mucho tiempo para que todos los estudiantes realicen estas prácticas. Una alternativa para atenuar esta deficiencia es la realización de prácticas simuladas, para ello es necesario disponer de un software para efectuar el control automático digital del servocontrol SAD-100, los creados hasta el momento no incluyen consideraciones prácticas. Lo expuesto anteriormente motiva el desarrollo de la presente investigación. De la problemática presentada anteriormente se plantea como problema científico: la no existencia de un software para el control automático digital del servocontrol SAD-100 que incluya consideraciones prácticas, tanto para la configuración como la operación, que se.

(13) INTRODUCCIÓN. 3. pueda utilizar en los laboratorios de la carrera Ingeniería en Automática de la Universidad Central “Marta Abreu” de Las Villas. Para dar solución al problema científico se propone como objetivo general: diseñar un software para el control automático digital del servocontrol SAD-100 con consideraciones prácticas para utilizarse en los laboratorios de la carrera Ingeniería en Automática de la Universidad Central “Marta Abreu” de Las Villas con el propósito de mejorar la formación integral de los estudiantes como ingenieros. Para el cumplimiento del objetivo general, se plantean los objetivos específicos siguientes: • Analizar la bibliografía sobre control digital y simuladores de control de proceso. • Caracterizar el servocontrol SAD-100 y la tarjeta de adquisición de datos NI USB-6212. • Diseñar el software de control digital con LabVIEW para el proceso real y virtual. • Valorar los resultados de las pruebas realizadas. • Proponer una guía para la realización de una actividad práctica. Con la realización del trabajo de diploma se logra una sistematización del conocimiento sobre control digital directo con consideraciones prácticas. El software en LabVIEW para desarrollar distintas prácticas reales y simuladas por los estudiantes. Una guía que permita la realización de alguna práctica de laboratorio y sirva como base para la creación de otras. Con la implementación del presente trabajo de diploma se darán soluciones a problemáticas modernas vinculadas con la docencia del Departamento de Automática de la Universidad Central “Marta Abreu” de Las Villas. Constituirá una herramienta tanto para alumnos como para profesores que mejorará el proceso docente educativo. Con el software para el control automático digital del servocontrol SAD-100 se crearán varios puestos virtuales de trabajo, lo que reduce el costo por concepto de equipamiento que se requiere para la realización de prácticas reales, solo será necesario disponer de una maqueta ALECOP SAD-100. Un análisis documental es realizado sobre la literatura existente a cerca de simuladores de procesos. Se simula el proceso con el uso de LabVIEW 2010, se realiza experimentación.

(14) INTRODUCCIÓN. 4. práctica con la tarjeta multifuncional de adquisición de datos NI USB-6212 y LabVIEW. Distintas pruebas son efectuadas para la realización de prácticas de laboratorio. Organización del informe El informe está estructurado en introducción, tres capítulos, conclusiones, recomendaciones, referencias bibliográficas y anexos. Los temas que se abordan en cada capítulo se estructuran de la forma siguiente: CAPÍTULO I: Se dedica al análisis de la bibliografía existente sobre control digital, consideraciones prácticas para el desarrollo de control digital directo. Se plantean los conceptos fundamentales sobre los simuladores. Se realiza un análisis sobre antecedentes de la problemática abordada. Se termina con las consideraciones finales del capítulo. CAPÍTULO II: Se plantea una caracterización del servocontrol SAD-100. Se seleccionan las funciones y ejemplos sobre control PID que incluyen consideraciones prácticas. Un análisis de las funciones sobre PID seleccionadas es realizado, así como el diseño del sistema de control digital con LabVIEW para el proceso real y virtual. Concluye con las consideraciones finales del capítulo. CAPÍTULO III: Se realizan diferentes pruebas tanto reales como simuladas del servocontrol SAD-100. Se valoran los resultados obtenidos. Se realizan una valoración técnico-económica y medioambiental del trabajo..

(15) CAPÍTULO 1. Control digital en procesos reales y virtuales. 5. CAPÍTULO 1. Control digital en procesos reales y virtuales. En este capítulo se exponen los conceptos generales relacionados con el control digital y específicamente sobre control digital directo en los procesos industriales. En el mismo se presenta los conceptos de tiempo real, simulador, sistemas de control, controlador PID y consideraciones prácticas en la implementación de algoritmos de control para el trabajo en tiempo real. Se muestra algunos antecedentes sobre el uso de simuladores de procesos en tiempo real y se culmina con las consideraciones finales del capítulo. 1.1. Control digital. El control digital ha desempeñado un papel muy importante en el avance de la ingeniería y la ciencia. Estos controles se han vuelto una parte importante de los procesos modernos industriales de manufactura. Las aplicaciones de estos dispositivos van de un simple encendido y apagado de una lámpara hasta procesos tan complicados y veloces como el diseño de sistemas pilotos automáticos en la industria aeroespacial. 1.1.1 Breve historia del control digital En su libro Eduard Bertran Albertí (Albertí, 2003) expone los momentos fundamentales en el desarrollo del procesamiento digital de señales y del control digital. Aquí se presenta un resumen de la historia del control digital. Antes de la aparición de las primeras computadoras ya existían sistemas que sólo trabajaban con señales digitales, normalmente binarias. La reducción en el costo de los equipos de cómputo, así como las facilidades de diseño de sistemas basados en microprocesador y de circuitos con un alto nivel de integración posibilitó la aparición en el mercado de productos basados en procesadores digitales, y orientados a la manipulación de señales analógicas..

(16) CAPÍTULO 1. Control digital en procesos reales y virtuales. 6. Durante la década de los 40 apareció un primer interés con la utilización de sistemas muestreados en radares, pero una inexitosa experiencia en el empleo de un controlador digital a un helicóptero pospuso hasta finales de la década de los 60 la confianza en los métodos digitales de control. No obstante, en la década de los ochenta se produjeron avances en microelectrónica, lo que permitió pasar de los primeros microprocesadores de la década anterior a dispositivos más potentes, sobre todo en número de bits, capaces de calcular algoritmos complejos en tiempo real. Aunque, al principio, su ancho de banda era muy limitado, lo cual no impedía el uso de los mismos en aplicaciones en el campo del control. El control digital de procesos y de dispositivos ha remplazado al analógico en múltiples aplicaciones. Los sistemas digitales se han mostrado más fiables, versátiles y productivos que los analógicos, desde los controladores lógicos programables (PLC), ampliamente difundidos en la solución de problemas industriales, hasta los potentes algoritmos de control robusto o adaptativo, el control digital se encuentra presente en todos los niveles de automatización. Los sistemas distribuidos de adquisición de datos y control (SCADA), poco explotados en décadas pasadas, son ahora esenciales en aplicaciones de control de procesos. 1.1.2 Control digital directo Según (Piedrafita, 1999) el desarrollo de la computación aplicada al control de procesos industriales fue impulsado a finales de los años 50 por causa de lo complicadas que eran algunas plantas industriales de controlar como las refinerías de petróleo. Los sistemas de control disponibles estaban bastantes limitados, por lo que la calidad de la producción dependía de la experiencia y habilidades de los operadores. El primer artículo sobre el empleo de la computadora en el control industrial fue realizado por Brown y Campbell en el año 1950 y se tituló Instrument engineering: its growth and promise in process-control problem. En dicho artículo se usa una computadora para controlar un sistema de lazo cerrado, se asume que los elementos de cálculo y control deben ser computadoras analógicas, pero sugieren como una posibilidad el empleo de una computadora digital. La primera computadora dedicada al control industrial fue instalada en la refinería de Port Arthur, Texas por la compañía Texaco, que utilizó un ordenador RW-300. Esta fábrica comenzó a funcionar controlada en lazo cerrado por computadora el 15 de maro de 1959..

(17) CAPÍTULO 1. Control digital en procesos reales y virtuales. 7. Este sistema no realizaba un control digital directo (DDC), sino un control supervisor dedicado a calcular las referencias óptimas de los reguladores analógicos. El primer control digital directo fue implementado en noviembre de 1962 en la planta de amoniaco y soda de la compañía Imperial Chemical Industries en Fleetwood, Reino Unido, mediante una computadora Ferranti Argus 200. Este sistema tenía 120 lazos de control y efectuaba la medición de 256 variables. El DDC es el control automático de un proceso mediante el uso de un dispositivo digital que puede ser una computadora o un microprocesador, en tiempo real y con programa almacenado en su memoria interna. Las ventajas básicas del DDC son: la flexibilidad al permitir cualquier configuración y variar los parámetros y algoritmos, la precisión puesto que el cálculo digital posee un mayor grado de exactitud que el analógico. Por otra parte los sistemas digitales tienen una mayor velocidad de procesamiento que los analógicos debido a que el intervalo entre las muestras, el periodo de muestreo, puede ser muy pequeño (Fadali and Visioli, 2013). En la figura 1.1 se muestra el esquema general de control digital directo.. r(t). e(t) +. -. A/D. e(kT) Computadora u(kT). D/A. u(t). Planta. y(t). Digital Reloj. Sensor Fig. 1.1 Esquema general de control digital directo (DDC). Otras ventajas de usar esta forma de control se reflejan en una mayor sensibilidad y una gran inmunidad a la distorsión de las señales; básicamente la sensibilidad se consigue gracias al empleo de señales de baja energía, mientras que la inmunidad a la distorsión causada por el ruido y las no linealidades, se obtiene gracias al buen acoplamiento de estas señales en los dispositivos digitales empleados..

(18) CAPÍTULO 1. Control digital en procesos reales y virtuales. 1.2. 8. Tiempo real. A medida que los computadores son más pequeños, rápidos, fiables y baratos, su rango de aplicaciones se amplía. Fueron construidos inicialmente para resolver ecuaciones, pero actualmente se utilizan en todos los órdenes de la vida, desde lavadoras a control de tráfico aéreo. Una de las áreas de la computación que más rápido se ha desarrollado es la que implica aplicaciones cuya función principal no es la de procesar información, pero que requiere de dicho procesamiento para realizar su función principal. Un horno de microondas es un ejemplo de este tipo de sistemas. En este caso la función principal es calentar o cocinar alimentos, sin embargo, se ejecutan distintos programas en dependencia del tipo de alimento que se quiera procesar. Este tipo de aplicaciones se conocen comúnmente como de tiempo real o embebidas. Se ha estimado que el 99 por ciento de la producción mundial de microprocesadores se utiliza en sistemas embebidos. Los mismos necesitan requisitos específicos en los lenguajes de programación que emplean, ya que presentan características diferentes a las de los sistemas de procesamiento de información tradicionales (Burns and Wellings, 2003). 1.2.1 Definición de un sistema de tiempo real En el texto Sistemas de Tiempo Real y Lenguajes de Programación (Burns and Wellings, 2003) se presenta en su capítulo 1, p. 2 diferentes conceptos de un sistema de tiempo real, de los cuales en este trabajo de diploma se asume el tomado del Oxford Dictionary of Computing (Diccionario Oxford de computación): “Cualquier sistema en el que el tiempo en el que se produce la salida es significativo. Esto generalmente es porque la entrada corresponde a algún movimiento en el mundo físico, y la salida está relacionada con dicho movimiento. El intervalo entre el tiempo de entrada y el de salida debe ser lo suficientemente pequeño para una temporalidad aceptable.” ¿Qué se entiende por Sistema de Tiempo Real? Un sistema de tiempo real es un sistema informático en el que es significativo el tiempo en el que se producen sus acciones. No es suficiente que las acciones del sistema sean correctas lógicamente, sino que, además, deben producirse dentro de un intervalo de tiempo.

(19) CAPÍTULO 1. Control digital en procesos reales y virtuales. 9. determinado. Esto es debido a que el sistema está conectado a un proceso externo del que recibe estímulos a los que debe responder con suficiente rapidez para evitar que evolucione a un estado indeseable. Existen sistemas que requieren una elevada exactitud en su tiempo de respuesta, una demora que sobrepase el tiempo límite especificado puede tener consecuencias fatales, por ejemplo, el sistema de navegación de un avión. Estos se nombran sistemas de tiempo real estrictos (Hard Real Time Systems). Mientras que los sistemas con restricciones de tiempo en las que una respuesta tardía no produce graves daños pero si un deterioro del funcionamiento global se nombran sistemas de tiempo real no estrictos (Soft Real Time Systems). 1.2.2 Software para trabajo en tiempo real Existen varios software para el trabajo y desarrollo de sistemas en tiempo real; los que presentan herramientas y bibliotecas que permiten su uso para lograr este fin. Las mismas están desarrolladas para interactuar activamente en un entorno con dinámica conocida; mediante estas se pueden relacionar las entradas y salidas de cualquier sistema, así como establecer restricciones temporales, para darle un correcto funcionamiento de acuerdo con los conceptos de predicción, estabilidad, control y alcance. Seguidamente se describen algunos de estos software. LabVIEW El software LabVIEW (Laboratory Virtual Instrumentation Engineering Workbench) es una plataforma y entorno de desarrollo creado por National Instruments en 1976 para diseñar sistemas con un lenguaje de programación visual gráfico llamado Leguaje G (Holguín et al., 2002). Los programas desarrollados con LabVIEW se llaman Instrumentos Virtuales o VI. Su origen proviene del control de instrumentos. Este presenta varias facilidades tales como: el manejo de interfaces de comunicaciones, capacidad de interactuar con otros lenguajes y aplicaciones, herramientas gráficas y textuales para el procesado digital de señales, visualización y manejo de gráficas con datos dinámicos, adquisición y tratamiento de imágenes, control de movimiento,. sincronización. entre. dispositivos,. programación. de. FPGA. (Field.

(20) CAPÍTULO 1. Control digital en procesos reales y virtuales. 10. Programmable Gate Array) para control o validación y herramientas para el trabajo en tiempo real. Por lo antes mencionado el LabVIEW propicia el desarrollo de sistemas para hardware y software de pruebas, control y diseño, simulado o real y embebido, pues acelera la productividad, además puede combinarse con todo tipo de software y hardware, tanto del propio fabricante como de otros. Algunas de sus principales características son, su facilidad de uso y rapidez de programación. Con LabVIEW pueden crearse programas de miles de VI, equivalentes a millones de páginas de código texto para aplicaciones complejas si se realizaran en otro lenguaje, programas de automatizaciones de decenas de miles de puntos de entradas-salidas (Hernández and Ledesma, 2010). MATLAB MATLAB es una herramienta de software matemático que brinda un entorno de desarrollo integrado (IDE) con un lenguaje de programación propio (lenguaje M), orientado al cálculo técnico, la visualización de resultados y la codificación de programas. Se encuentra disponible para las plataformas Unix, Windows, Mac OS X y GNU/Linux. Entre sus prestaciones básicas se hallan: la manipulación de matrices, la representación de datos y funciones, la implementación de algoritmos, la creación de interfaces de usuario (GUI) y la comunicación con programas en otros lenguajes y con otros dispositivos hardware. El paquete MATLAB dispone de dos herramientas adicionales que expanden sus prestaciones, Simulink (plataforma de simulación multidominio) y GUIDE (editor de interfaces de usuario - GUI). Además, se pueden ampliar las capacidades de MATLAB con las cajas de herramientas y las de Simulink con los paquetes de bloques. El nombre MATLAB proviene de Matrix Laboratory (Laboratorio de Matrices) dado que en sus orígenes fue escrito para facilitar el desarrollo de software matricial. Ha evolucionado desde 1970 a través de la atención de las necesidades de sus principales usuarios, tanto en ámbitos académicos como empresariales (Arellano, 2013). MATLAB contiene una aplicación para realizar simulaciones en tiempo real, el ToolBox Real Time Windows Target, que ejecuta modelos hechos en Simulink. Esta herramienta posibilita crear aplicaciones de control y simulaciones en tiempo real de plantas físicas; para ello es.

(21) CAPÍTULO 1. Control digital en procesos reales y virtuales. 11. necesario utilizar una tarjeta de adquisición de datos DAQ que interactúe entre Simulink y el dispositivo o proceso que se quiera controlar (Luke et al., 2005). Tanto en el mundo universitario como en el industrial, MATLAB se ha convertido en una herramienta básica para la resolución de complejos problemas matemáticos en diferentes áreas como la computación, el cálculo numérico, prototipaje algorítmico, teoría de control automático, y por último en estadística (Cilento, 2007). LabWindows/CVI El software LabWindows/CVI (en inglés, CVI: acrónimo de C for Virtual Instrumentation) es un entorno de desarrollo integrado para el lenguaje C enfocado en el desarrollo de programas de prueba, medida y control gracias a la instrumentación virtual (“National Instruments,” 2018). Este es un producto de National Instruments muy similar a LabVIEW, con lo cual comparte las funcionalidades y permite concebir aplicaciones de adquisición de datos, así como de las interfaces gráficas permitiendo almacenar y analizar estos datos (Jolly, 2018). Este entorno de desarrollo integrado es compatible con Windows y con Unix. Las bibliotecas especializadas en prueba, medida y control de Nacional Instruments son también accesibles para la programación en C++, C# o Visual Basic gracias a Measurement Studio. RTLinux RTLinux es un sistema operativo de tiempo real multitarea que ejecuta Linux como un thread (hilo de ejecución) de menos prioridad que las tareas de tiempo real (Opdenacker et al., 2010). Con este diseño, las tareas de tiempo real y los manejadores de interrupciones nunca se ven retrasados por operaciones que no son de tiempo real. RTLinux proporciona un entorno de ejecución bajo el kernel de Linux, como consecuencia de esto, las tareas de tiempo real no pueden usar los servicios de Linux (Zhou Qingguo et al., 2008) . Para disminuir este problema, el sistema de tiempo real se ha divido en dos partes: la capa de tiempo real estricto que ejecuta encima de RTLinux, y la capa de tiempo real flexible, que ejecuta como un proceso normal de Linux. La propuesta de dos capas es un método útil para proporcionar tiempo real estricto mientras se mantienen las características de escritorio de un sistema operativo. La separación del.

(22) CAPÍTULO 1. Control digital en procesos reales y virtuales. 12. kernel de tiempo real del mecanismo del kernel de Linux de propósito general permite optimizar ambos sistemas de forma independiente (Proctor and Shackleford, 2002). 1.3. Simulación. Gracias al avance tecnológico el uso de la simulación por computadoras brinda la posibilidad de entrenar y preparar a las personas para la correcta manipulación de equipos, para la optimización de procesos industriales o el estudio de diversos problemas de la ciencia y la ingeniería. Su importancia radica en que permite cometer errores cuando se efectúa y aporta valiosas lecciones a los usuarios en un ambiente seguro. En el campo de la educación, la simulación por computadora desempeña un papel relevante ya que es usada para evaluar el aprendizaje, resolver problemas de habilidades y disposición de los estudiantes. Permite de forma óptima repetir tantas veces como se desee o requiera el proceso en estudio; constituye un método de enseñanza más del que disponen los profesores para transmitir conocimientos. Según (Azarang and Garcia, 1996) la simulación es el desarrollo de un modelo lógicomatemático de un sistema, para imitar el funcionamiento de un proceso de la vida real o de un sistema a través del tiempo. Involucra la generación de una historia artificial de un sistema; la observación de esta historia mediante la manipulación experimental posibilita la deducción de las características operacionales del mismo. En la definición anterior se evidencian dos pasos básicos de una simulación: desarrollo del modelo y experimentación. El desarrollo del modelo incluye la formulación de ecuaciones lógicas representativas del sistema y la creación de un programa computacional. Después de validado el modelo del sistema, se ejecuta la segunda fase de un estudio de simulación, experimentar con el modelo para determinar cómo responde el sistema a cambios en los valores de las variables de entrada. 1.3.1 Breve historia de la simulación En la revista ( Lander Simulation & Training Solutions, 2018) aparece un artículo titulado “Historia de la simulación” donde se muestran los momentos más relevantes del surgimiento y desarrollo de la simulación. Se podría considerar que la misma nace en 1777 con el planteamiento del problema ¨La aguja de Buffon¨, un método matemático sencillo para ir.

(23) CAPÍTULO 1. Control digital en procesos reales y virtuales. 13. aproximando el valor del número π a partir de sucesivos intentos. En 1812 Laplace mejoró y corrigió la solución de Buffon y desde entonces se conoce como solución Buffon-Laplace. En la época contemporánea la construcción de las primeras computadoras de propósito general como el ENIAC y el trabajo de Stanislaw Ulam, John Von Neumann y otros científicos para solucionar problemas de difusión de neutrones en el diseño y desarrollo de la bomba de hidrógeno impulsaron el progreso de la simulación. En 1960, Keith Douglas Tocher desarrolló un programa de simulación general cuya principal tarea era la de simular el funcionamiento de una planta de producción donde las máquinas ciclaban por estados: Ocupado, Esperando, No disponible y Fallo; de manera que las simulaciones en los cambios de estado de las máquinas marcaran el estado definitivo de la producción de la planta. Este trabajo condujo a la creación del primer libro sobre simulación: The Art of Simulation (1963). Entre 1960 y 1961 IBM desarrolló el Sistema de Simulación de propósito general o General Purpose Simulation System (GPSS) que fue diseñado para realizar simulaciones de teleprocesos, tales como: control de tráfico urbano, gestión de llamadas telefónicas y reservas de billetes de avión. Este sistema fue popularizado como el lenguaje de simulación más usado en aquel entonces, sobre todo por su facilidad de uso. El Royal Norwegian Computing Center inició en 1961 el desarrollo del programa SIMULA con ayuda de UNIVAC, fruto de esta investigación se creó SIMULA I, probablemente el lenguaje de programación más importante de toda la historia. La fundación del WSC (Winter Simulation Conference) en 1967 constituyó un hecho significativo en el vertiginoso avance de la simulación. En este lugar, desde esa fecha y hasta la actualidad, se archivan los lenguajes de simulación y aplicaciones derivadas, siendo el referente en los avances en el campo de los sistemas de simulación. 1.3.2 Simulador de procesos El uso de los simuladores de procesos a nivel industrial y educativo se ha generalizado, pues permiten el estudio, diseño, análisis y optimización de sistemas y procesos industriales. Estos constituyen un ahorro de tiempo y recursos en el análisis y evaluación de procesos a nivel industrial, que por su complejidad serían imposibles de implementar en un laboratorio para pruebas en tiempo real..

(24) CAPÍTULO 1. Control digital en procesos reales y virtuales. 14. El uso de los simuladores en las industrias se originó durante la crisis energética del petróleo en los años 70, en la que estas se vieron obligadas a optimizar sus procesos, y a reducir los costos de inversión (González, 2010). Inicialmente se desarrollaron en varias universidades de los Estados Unidos y en algunas industrias varios programas de simulación con estructuras rígidas para la introducción de las variables de entrada y con resultados de difícil comprensión para los operadores. Con el avance de las computadoras y de la informática en general, distintas empresas especializadas en desarrollo de software crearon programas para la simulación de procesos industriales con entornos más amigables, entre las que destacan Hysys, AspenPlus, CHEMCAD, ProModel, entre otros. Los simuladores de procesos según (Scenna et al., 1999) son una herramienta de software que agrupan un conjunto de funcionalidades tales como, bases de datos de propiedades físicas, propiedades termodinámicas, métodos numéricos, operaciones unitarias y modelos de cinéticas químicas integradas de forma tal que reproduzca el comportamiento de un proceso o sistema físico determinado. Estos son utilizados en la simulación de sistemas naturales, en procesos químicos y en otros procesos industriales con el objetivo de mejorar e incrementar la eficiencia de las mismas, estas permiten realizar simulaciones de diferentes procesos antes de que ocurran en realidad, las cuales producen resultados que pueden ser analizados para una futura realización de los mismos. El empleo de los simuladores en el proceso de la enseñanza y aprendizaje ha llevado a un número importante de autores a reconsiderar las prácticas de laboratorio. De esta manera se aprovecha el potencial de simulaciones, visualizaciones y otros recursos didácticos digitales, para favorecer el aprendizaje y optimizar el tiempo presencial disponible en el laboratorio (Romero and Quesada, 2014). Dentro de los simuladores más usados encontramos hardware de simuladores, destacándose IPA Virtual, LabVolt Modul A6 y PLC Sim-S7, hardware con soluciones híbridas y emuladores de procesos con microcontroladores. Otros de estos simuladores son los software de simulación por computadora (Zurita, 2014). Existen varias configuraciones para la simulación, algunas de ellas utilizan un Controlador Lógico Programable (PLC), microcontroladores, circuitos electrónicos analógicos o digitales que interactúan con programas de simulación en el control de proceso, e incluso se utilizan.

(25) CAPÍTULO 1. Control digital en procesos reales y virtuales. 15. computadoras que sirven para simular plantas industriales comunicándose con otras computadoras que sirven de elemento de control. Los simuladores tienen como característica en común la representación virtual de situaciones reales a través de un modelo que constituye una abstracción de la realidad. Estos tienen como objetivo comprender el comportamiento del sistema y evaluar de esta manera diferentes tipos de estrategias para su mejor operación, por medio de elementos matemáticos y tecnológicos. 1.4. Sistemas de control. En teoría de control y en general en instrumentación industrial se conoce como lazo de control o Control Loop a un sistema que mantiene una relación prescrita entre la salida y la entrada de referencia, comparándolas y usando la diferencia como medio de control. Este presenta un conjunto de componentes, tales como el elemento sensor, transductor de señal, receptor de señal, comparador de punto de ajuste, mecanismo de control y el elemento final de control. Los componentes del lazo de control están configurados en forma de circuito de tal manera que la señal de control es transmitida al elemento final de control para ajustar el proceso a controlar a un punto de consigna dependiendo de la magnitud del estímulo generado en el proceso. 1.4.1 Clasificación general de sistemas de control Los sistemas de control de acuerdo a su comportamiento se pueden clasificar en sistemas de control en lazo cerrado y sistemas de control en lazo abierto (Ogata, 2010). Sistemas de control en lazo cerrado: En un sistema de control en lazo cerrado, se alimenta al controlador la señal de error de actuación, que es la diferencia entre la señal de entrada y la señal de realimentación, a fin de reducir el error y llevar la salida del sistema a un valor conveniente. El término control en lazo cerrado siempre implica el uso de una acción de control realimentado para reducir el error del sistema. Sistemas de control en lazo abierto: Los sistemas en los cuales la salida no afecta la acción de control se denominan sistemas de control en lazo abierto. En cualquier sistema de control en lazo abierto, la salida no se compara con la entrada de referencia. A cada entrada de referencia le corresponde una condición operativa fija, la precisión del sistema depende de la calibración. Ante la presencia de perturbaciones, un sistema de control en lazo abierto no.

(26) CAPÍTULO 1. Control digital en procesos reales y virtuales. 16. realiza la tarea deseada. En la práctica, el control en lazo abierto sólo se usa si se conoce la relación entre la entrada y la salida y si no hay perturbaciones internas ni externas. Es evidente que estos sistemas no son de control realimentado. 1.4.2 Controlador PID El controlador es un componente imprescindible dentro de los lazos de control, este compara el valor efectivo de salida de una planta con el valor deseado o setpoint, determina la desviación y produce una señal de control que la reduce a cero o a un valor pequeño (Bahón and Giner, 2004). Dentro de los controladores más usados encontramos los controles de dos posiciones (todonada, si-no, on-off), controles proporcionales (P), controles integrales, controles proporcionales e integrales (PI), controles proporcionales y derivativos (PD), y los controles proporcionales, integrales y derivativos (PID) (Ogata, 2010). Estos tienen como característica en común la toma decisiones para mantener el punto de control ante los efectos de las perturbaciones. Por tener una exactitud mayor a los controladores proporcional, proporcional derivativo y proporcional integral, el controlador PID se utiliza en aplicaciones más cruciales tales como control de presión, flujo, temperatura, concentración, fuerza, velocidad, en muchas aplicaciones química, en reguladores de velocidad de automóviles y el control de ozono residual en tanques de contacto. El algoritmo de cálculo del control PID se da en tres parámetros distintos: el proporcional, el integral, y el derivativo; este puede representarse en varias formas y se suele modificar para obtener mejores prestaciones. Una valoración de las mismas se realiza a continuación (Gil and Díaz-Cordovés, 2009): Forma estándar o no interactiva: La forma estándar algunas veces es llamada “algoritmo ISA”, o “algoritmo ideal”. Las acciones proporcional, integral y derivativa son no interactivas en el dominio del tiempo. La ecuación 1.1 representa la ecuación de este controlador: 𝟏. 𝑮(𝒔) = 𝑲 ( 𝟏 + 𝒔𝑻 + 𝒔𝑻𝒅 ) 𝒊. Dónde: K: Ganancia proporcional. (1.1).

(27) CAPÍTULO 1. Control digital en procesos reales y virtuales. 17. 𝑇𝑖 : Tiempo integral 𝑇𝑑 : Tiempo derivativo Forma serie o interactiva: La forma serie es también llamada forma clásica, tiene una interpretación atractiva en el dominio de la frecuencia, ya que los ceros corresponden a los valores inversos de los tiempos derivativo e integral. Todos los ceros del controlador son reales. A continuación en la ecuación 1.2 se observa la forma de este controlador: 𝟏. 𝑮´(𝒔) = 𝑲´ ( 𝟏 + 𝒔𝑻´ ) ( 𝟏 + 𝒔𝑻´𝒅 ) 𝒊. (1.2). Dónde: 𝐾´: Ganancia proporcional 𝑇´𝑖 : Tiempo integral 𝑇´𝑑 : Tiempo derivativo La relación de los parámetros del controlador de la forma serie respecto al controlador estándar se presenta a continuación: 𝑲 = 𝑲´. 𝑻´𝒊 +𝑻´𝒅 𝑻´𝒊. 𝑻𝒊 = 𝑻´𝒊 + 𝑻´𝒅 𝑻´𝒊 𝑻´𝒅. 𝑻𝒅 = 𝑻´. 𝒊. (1.3) (1.4) (1.5). + 𝑻´𝒅. Forma paralela: La forma paralela es la más general, debido a que se pueden obtener acciones proporcional, integral y derivativa puras con parámetros finitos. El controlador puede también tener ceros complejos, siendo, por tanto, la forma más flexible. Sin embargo, es también la forma donde los parámetros tienen poca interpretación física. A continuación en la ecuación 1.6 se observa la forma de este controlador. 𝑮(𝒔) = 𝒌 +. 𝒌𝒊 𝒔. + 𝒔𝒌𝒅. Dónde: 𝑘: Ganancia proporcional 𝑘𝑖 : Ganancia integral. (1.6).

(28) CAPÍTULO 1. Control digital en procesos reales y virtuales. 18. 𝑘𝑑 : Ganancia derivativa La relación de los parámetros del controlador de la forma paralela respecto al controlador estándar se presenta a continuación: 𝒌=𝑲. (1.7). 𝑲. 𝒌𝒊 = 𝑻. (1.8). 𝒌𝒅 = 𝑲𝑻𝒅. (1.9). 𝒊. Modificación PI-D Según (Ogata, 2010) se denomina reacción del punto de ajuste a la función de pulso aguda que contiene la variable manipulada U(s) cuando la entrada de referencia es una función escalón, y en un controlador PID real, en lugar del término derivativo puro 𝑇𝑑 𝑆 se emplea: 𝑇𝑑 1 + ᵧ𝑇𝑑 𝑆. Dónde:. ᵧ: Valor práctico que está alrededor de 0.1 Para evitar el fenómeno de la reacción del punto de ajuste se opera la acción derivativa sólo en la trayectoria de realimentación, a fin de que la diferenciación ocurra únicamente en la señal de realimentación y no en la señal de referencia. El esquema de control ordenado de esta forma se representa en la figura 1.2, esta forma es denominada control PI-D.. Figura 1.2 Control PI-D.

(29) CAPÍTULO 1. Control digital en procesos reales y virtuales. 19. Dónde: R(s): Entrada de referencia U(s): Señal manipulada D(s): Disturbio Y(s): Salida N(s): Ruido B(s): Señal medida. Modificación I-PD Si se considera el caso en el que la entrada de referencia es una función escalón. Tanto el control PID como el control PI-D implican una función escalón en la señal manipulada. Según (Ogata, 2010) en muchas ocasiones, tal cambio escalón en la señal manipulada tal vez no sea conveniente. Para solucionar esto se puede mover la acción proporcional y la acción derivativa a la trayectoria de realimentación, a fin de que estas acciones sólo afecten la señal de realimentación. El esquema de este control se muestra en la figura 1.3, este es denominado control I-PD.. Figura 1.3 Control I-PD.

(30) CAPÍTULO 1. Control digital en procesos reales y virtuales. 1.5. 20. Consideraciones prácticas en la implementación de algoritmos de control en procesos simulados. Cuando se implementa algún algoritmo de control en un proceso industrial existen varios aspectos importantes que deben ser considerados, en caso contrario, el sistema de control podría proporcionar malos resultados y funcionar insatisfactoriamente. De igual manera, cuando se simula un proceso estos criterios deben ser tenidos en cuenta para que dicha simulación sea lo más certera posible. Según (Ballesteros and Hernández, 2015) algunos de estos son: la transferencia suave entre los modos manual y automático, el filtrado de las señales de setpoint y de mando, la selección del periodo de muestreo, los convertidores A/D y D/A, el retardo de transporte, la variación de la carga, la compensación anti-windup, las saturaciones en la señal de mando, el actuador y el proceso, la zona muerta, las unidades ingenieriles y los niveles de ruido. Para realizar un mejor análisis de los mismos, han sido divididos en dos grupos, los propios del controlador PID y las consideraciones en la simulación del proceso. Consideraciones del controlador PID . Modos manual y automático: Todos los controladores pueden correr en dos modos: manual o automático. En el modo manual, la salida del controlador es manipulada directamente por el operador mientras que en el modo automático se ejecuta el algoritmo de control PID.. . Transferencia suave entre los modos manual y automático: Cuando ocurren cambios entre los modos manual y automático, se producen saltos indeseados. Cuando el sistema se encuentra en modo manual, el algoritmo de control produce una señal que puede ser diferente a la generada manualmente. Es necesario que las dos salidas coincidan en el instante de tiempo en el que conmutan; de esta manera se asegura que el estado asociado con el control manual se actualice convenientemente cuando el regulador está operando en modo automático y viceversa, lo que garantiza una transferencia suave (Rojas, 2007).. . Selección del periodo de muestreo: Si el periodo de muestreo es seleccionado adecuadamente el sistema se comportará similar a uno analógico. El tiempo en el que produce la lectura de la variable, su procesamiento y cálculo de la señal de control.

(31) CAPÍTULO 1. Control digital en procesos reales y virtuales. 21. debe ser menor que el periodo de muestreo. Uno de los criterios para su selección establece que la frecuencia de muestreo debe ser la mitad que la frecuencia de corte, esta última es llamada la frecuencia de Nyquist (Ballesteros and Hernández, 2015). . Filtrado del setpoint: A la señal de entrada es necesario realizar lo que se llama procesamiento primario de la información que se realiza en los elementos de cómputo más cercanos a la variable física, de manera tal que generalmente se obtiene el valor en su unidad física. Es importante que la entrada del sistema de control no se vea afectada por algún ruido, por lo que se hace necesario, en caso de que existan, atenuarlos.. . Filtrado de la señal de mando: Posibilita el filtraje de la variable de control con el objetivo de evitar variaciones bruscas en esta señal.. . Convertidores A/D y D/A: El proceso de la conversión analógica a digital consiste en muestrear la señal analógica en intervalos regulares de tiempo. Cada muestra de voltaje analógico es convertida a un valor digital equivalente. Uno de los métodos para convertir una señal digital en una analógica es utilizar un circuito formado por un amplificador operacional y una red de resistencias en la entrada de este (Morris, 2001).. . Compensación anti-windup: Es un algoritmo que se implementa para compensar los efectos adversos provocados por la saturación de los actuadores o la sustitución de los controladores debido a algún cambio en las condiciones de operación. Un controlador con windup entrega una señal de mando, pero esta es diferente a la que recibe el proceso, debido a las limitaciones físicas presentes en los actuadores y a los cambios de puntos de operación del sistema de control (Acuña and Ríos, 2008). Existen varios métodos para evitar o reducir la saturación del término integral, entre los que se encuentran: limitación del término integral, integración condicional y seguimiento integral.. . Saturación en el mando: Es provocada por el aumento de la acción integral en los controladores PI y PID, puede ocasionar la saturación de los actuadores, lo que produce una no linealidad en el sistema de control y un funcionamiento no deseado. Está estrechamente vinculada con el efecto windup..

(32) CAPÍTULO 1. Control digital en procesos reales y virtuales. . 22. Banda proporcional: Siempre se especifica como porcentaje, es la inversa de la ganancia del controlador, esto se cumple cuando el valor deseado y la señal de mando están expresados en la misma unidad de medida.. Consideraciones en la simulación del proceso . Retardo de transporte: Su efecto ocasiona demoras en el proceso, a este fenómeno se le conoce comúnmente como tiempo muerto (Ogata, 2010).. . Zona muerta: Es el rango en el que las señales de entrada no provocan ningún efecto en la salida del sistema. En motores de corriente directa se relaciona con el voltaje necesario que hay que aplicar para iniciar el movimiento partiendo del reposo, debido a la fricción estática. La zona muerta causa efectos negativos en el posicionamiento y movimiento a bajas velocidades, por lo que es necesario incluir en el lazo de control un algoritmo que se anticipe a sus efectos y ayude a corregirlos (Pichardo, 2008).. . Niveles de ruido: Los niveles de ruido son señales no deseadas que contaminan las señales del sistema y pueden provocar inestabilidad en el mismo.. . Saturación del actuador: El actuador o elemento de acción final es la parte del dispositivo de control que produce un cambio físico que afecta directamente la dinámica de la planta. En todos los sistemas de control, los actuadores y las señales de salida de los controladores tienen un rango limitado de operación. Una señal de control fuerte disminuye la vida útil de los actuadores del proceso. El método más usado para evitar esta saturación es la adición de limitadores a la salida de los reguladores para disminuir este efecto nocivo (Fuente, 2010).. . Saturación del proceso: Como parte de la dinámica del proceso también pueden existir no linealidades como es el caso de saturación, esta viene dada por los límites del comportamiento de sus partes integrantes y que por lo tanto intervienen dentro del modelo limitando consecuentemente los parámetros de este último. Por ejemplo, en un motor de corriente directa el parámetro velocidad tiene un límite y por lo tanto saturación debido a su propia construcción.. . Variación de la carga: Es una variación en porciento de la señal de mando o de los parámetros del proceso..

(33) CAPÍTULO 1. Control digital en procesos reales y virtuales. 1.6. 23. Antecedentes de software para el control de procesos simulados. Durante el análisis bibliográfico realizado se han consultado artículos donde se aborda el tema del uso de los simuladores y los entrenadores de procesos. Estos artículos sirven de antecedentes a este trabajo, de los cuales se toman aspectos importantes. Diseño de un simulador digital de procesos En este trabajo el autor (Zurita, 2014) desarrolla un simulador digital de procesos, basado en el PIC18F4550, como simulador de la planta y una interface en LabVIEW como controlador. Este simulador posibilita el entrenamiento de control discreto en sistemas de primer orden hasta cuarto orden. En el mismo los modelos son simulados en el microcontrolador, este brinda la capacidad de adaptación y expansión que permiten la creación de entornos constructivistas de aprendizaje en estas áreas del control de procesos. Las estrategias de control, parametrización y ajuste del controlador en sus opciones proporcional, PI y PID, de forma manual, son desarrolladas en LabVIEW. Diseño y montaje de un entrenador con el controlador lógico programable PLC S7-200 de SIEMENS El entrenador que se construye en este trabajo es un módulo para configurar, programar y usar un autómata SIEMENS. El sistema consiste en un simulador de entradas, luces pilotos; según el autor (Pérez, 2008) estos dispositivos se usan para que el PLC “testee y actúe” según su programación. El sistema de supervisión y control se realiza desde el autómata, conjuntamente se puede realizar la monitorización en una PC. Al implementar este entrenador, el usuario tiene la posibilidad de familiarizarse de forma práctica con el software y el lenguaje de programación que se implementa para este autómata en el área de la automatización industrial. Control de un tanque de presión mediante el módulo PID de un autómata programable En este proyecto el autor (Nuñez, 2011) diseña un circuito neumático en el que se controla la presión de un depósito, para esto utiliza la función PID FB41 (CONT_C) integrada en el software de programación STEP7 de SIEMENS, y se desarrolla un sistema SCADA que controla la presión del depósito neumático mediante el autómata S7300 de Siemens..

(34) CAPÍTULO 1. Control digital en procesos reales y virtuales. 24. Para esto se diseña y ensambla un circuito neumático con un acumulador neumático y los elementos necesarios para los requerimientos de control. Se utiliza una electroválvula proporcional de 5 vías y 3 posiciones que permita pasar una cierta cantidad regulable de aire hacia el acumulador, mantener el aire, o por el contrario dejar escapar, en mayor o menor medida, el aire acumulado en el depósito. Para conocer en todo momento la presión acumulada precisan de un transductor de presión-voltaje y se dispone de un manómetro para conocer de manera analógica la presión alcanzada. Con la configuración y programación de la función PID (FB 41 CONT_C) que lleva integrado el PLC SIMATIC S7-300, se diseña un regulador PID como elemento de control, y se crea el sistema SCADA para el control de presión del depósito neumático, de esta manera el usuario controla y supervisa la presión del acumulador neumático sin tener idea alguna de programar el autómata SIEMENS. Comparación del Rendimiento de Controladores en el Entrenador Industrial DAC603 En este trabajo los autores (Aguirre et al., 2010) muestran el diseño e implementación de algoritmos de control en la unidad de entrenamiento de control e instrumentación industrial DAC603. El diseño de los algoritmos está basado en la teoría de control y su programación se hace en un lenguaje de alto nivel. La obtención del modelo matemático del sistema se hizo mediante identificación, con el ToolBox de MATLAB. Se estudia el desempeño de los controladores implementados mediante el uso de un índice de rendimiento. Entrenador digital de lazo de control con consideraciones prácticas reales Este trabajo de diploma se realizó para el laboratorio de computación de la carrera de Ingeniería Automática por el autor (Rodríguez, 2016) con el objetivo de diseñar un entrenador digital de lazo de control, que permita la operación en tiempo real de consideraciones prácticas reales. A partir de esto se realizó el diseño del mismo en el software LabVIEW. Para la valoración de los resultados se analizaron los casos de: control de velocidad de un motor de corriente directa y el control de posición de un servomotor de corriente directa. Para cada caso se simularon con los valores de configuración inicial y posteriormente se introdujeron algunas consideraciones prácticas para interpretar el efecto en la salida del sistema..

(35) CAPÍTULO 1. Control digital en procesos reales y virtuales. 25. Análisis de los casos seleccionados En la tesis de maestría de (Zurita, 2014) se utiliza un microcontrolador para la simulación, lo que sería innecesario porque este proceso puede ser simulado en un software destinado para este fin. En los trabajos de (Pérez, 2008) y (Nuñez, 2011) se tiene como inconveniente el uso de PLC para el diseño de los simuladores, que son dispositivos caros que no están al alcance de muchas personas. En el trabajo de (Nuñez, 2011) se utiliza un acumulador neumático y una electroválvula proporcional, que son otros inconvenientes a tener en cuenta desde el punto de vista económico. En la investigación de (Aguirre et al., 2010) existe la limitante del empleo de un lenguaje de programación de alto nivel para diseñar los algoritmos de control, esto hace que el trabajo sea más engorroso, en su lugar se puede utilizar algún software como MATLAB o LabVIEW que facilitan su desarrollo. En el trabajo de (Rodríguez, 2016) se incluyen pocas consideraciones prácticas, por lo que el software desarrollado no es tan cercano a la realidad como pudiera serlo. 1.7. Consideraciones finales del capítulo. El empleo de los simuladores de sistemas de control es una herramienta de aprendizaje viable para cualquier nivel de enseñanza. A través de la simulación y la realización de prácticas en tiempo real se puede emular situaciones que un ingeniero puede encontrar en cualquier industria. Los estudiantes pueden aprender valiosas lecciones y ejercitarse en un ambiente virtual seguro. La implementación de las consideraciones prácticas permite que los procesos simulados se aproximen en gran medida a los reales, lo que favorece aún más el uso de la simulación por computadora para el estudio de los procesos industriales. El software LabVIEW reúne un conjunto de características, tales como, las herramientas para el trabajo en tiempo real y la utilización de un lenguaje de programación visual gráfico que facilita su explotación por los usuarios. Por lo antes mencionado, su empleo en la simulación de procesos es una decisión totalmente acertada..

(36) CAPÍTULO 2. Diseño del software para el control digital del SAD-100. 26. CAPÍTULO 2. Diseño del software para el control digital del SAD-100. El presente capítulo está dedicado a exponer todo lo concerniente al diseño del software para el control automático digital del servocontrol SAD-100 (SCD SAD-100); se realiza una caracterización de este sistema con el objetivo de hallar su función transferencial. Las principales características de la tarjeta de adquisición de datos NI USB-6212 son mostradas. Se efectúa una descripción de las funciones y ejemplos de LabVIEW que fueron empleados en la creación del software. La forma en la que se estructuró el mismo es explicada, y específicamente lo relacionado con el proceso y el controlador. Se muestran las partes fundamentales de la programación de dicho software. 2.1. Caracterización del SAD-100. En los laboratorios de la carrera Ingeniería en Automática de la Universidad Central “Marta Abreu” de Las Villas existe una maqueta Alecop SAD 100 que se utiliza para impartir la asignatura Herramientas de Software para el Control. Este servosistema, que constituye la planta en estudio, es un entrenador para prácticas que permite realizar control de velocidad o posición de un motor de corriente directa (CD). Dicha maqueta tiene dos partes que la conforman según (Alecop, 1986): la primera es un eje extendido para montaje directo del motor (1), el freno magnético (2), discos de inercia o masa (3), encoder (4), potenciómetro (5) y tacodinamo (6), como se muestra en la figura 2.1. De estos componentes los utilizados para el desarrollo del presente trabajo son: el motor CD, la masa que se emplea para cambiar el momento de inercia del motor, y el tacogenerador. El motor utiliza un amplificador que lo antecede, que permite que la señal manipulada se mantenga aproximadamente entre +100 y -100 V..

(37) CAPÍTULO 2. Diseño del software para el control digital del SAD-100. 27. Partes: (1) Motor (2) Freno (3)Discos de inercia (Masa) (4) Encoder (5) Potenciómetro (6) Tacodinamo. Figura. 2.1 Eje extendido de la maqueta ALECOP SAD-100. La otra parte que compone a la maqueta es el panel actuador mostrado en la figura 2.2, que posee varios módulos o bloques, entre los que destacan: la fuente de potencia (7), el acondicionamiento del sensor de velocidad (13), los acondicionamientos de los sensores de posición (9 y 10) que son el potenciómetro analógico y el encoder, los generadores del valor deseado (11), el accionamiento del freno magnético (13), el regulador PI (14). Estos módulos pueden ser conectados según sea necesario. Los empleados en este trabajo son el bloque 7, el 11 y el 13. El bloque 7 tiene dos funciones, una es como fuente de alimentación, encargada de suministrar todos los niveles de voltaje (+15V, -15V, +5V) necesarios para la operación de la maqueta, mientras que la otra es como driver de potencia del motor. Este último es un Driver DC-DC, el cual consta de una electrónica adecuada para entregarle al motor la energía suficiente para su accionamiento. Al mismo se le suministra una referencia entre 10 V y -10 V, donde 0 V corresponde al reposo del motor, 10 V a la velocidad máxima en el sentido directo y -10 V la velocidad máxima en sentido inverso. El bloque 11 está formado por amplificadores de instrumentación que tienen una alta impedancia de entrada, lo que permite que se conecten dispositivos como la tarjeta de adquisición de datos y no se produzcan sobrecargas que dañen a los mismos. También posee potenciómetros multivueltas para variar los valores de resistencia. Este bloque tiene como función principal generar voltajes que oscilan entre -10 y 10 V para ser utilizados como valores deseados o setpoint en lazos de control..

(38) CAPÍTULO 2. Diseño del software para el control digital del SAD-100. 28. Bloques: (7) Alimentación – 100 (8) Generador – 100 (9) Contador – 100 (10) D/A – 100 (11) VS – 100 (12) DSG – 100 (13) TF – 100 (14) PI – 100 (15) CS – 100 (16) GS – 100 (17) PS – 100. Figura. 2.2 Panel actuador de la maqueta ALECOP SAD-100. El bloque 13 se subdivide en dos bloques: . Accionamiento del freno: le suministra al freno magnético una diferencia de potencial, la cual puede ser variada mediante el potenciómetro en la parte inferior de este bloque, produciendo un par de frenado proporcional a este voltaje.. . Acondicionamiento del Tacodinamo: consiste en una etapa de amplificación que brinda un primer acondicionamiento del Tacodinamo. Mediante el potenciómetro en la parte superior del bloque se puede variar la ganancia del Tacodinamo consiguiéndose niveles absolutos de hasta 10 V a máxima velocidad de 2 000 revoluciones por minuto (rpm).. Función transferencial del conjunto actuador-motor La función de transferencia del sistema se obtuvo mediante identificación experimental a través de la realización de un conjunto de pruebas a la maqueta, en las que se obtuvieron los datos necesarios para hallar esta función, como su característica estática. La primera de estas pruebas fue concebida con la ayuda de un multímetro, con el objetivo de ajustar el potenciómetro multivueltas de la parte superior del módulo 13; para ello se montó el circuito.

(39) CAPÍTULO 2. Diseño del software para el control digital del SAD-100. 29. de la figura 2.3 que corresponde a un lazo abierto de control y se excitó al actuador con un voltaje de 6.98 V, después se varió el potenciómetro hasta que, para un valor de Kp = 7.14 vueltas, el tacogenerador entregó 6.98 V. La ecuación 2.1 describe a este último. (𝟐. 𝟏). 𝑉𝑇 = 0.7𝐾𝑝 𝑉𝑒𝑙 Dónde: 𝑉𝑇 : Voltaje entregado por el Tacodinamo en mV Kp: Constante del potenciómetro Vel: Velocidad del motor en rpm. 6.98 volt. Motor. Actuador. 6.98 volt. Velocidad. Tacodinamo. Figura. 2.3 Lazo abierto de control que ilustra la forma en la que fueron realizadas las pruebas al servosistema ALECOP SAD-100. Para encontrar la característica estática del sistema actuador-motor se realizó una segunda prueba, en la cual se empleó un multímetro para medir los voltajes de alimentación y los entregados por el Tacodinamo, posteriormente se obtuvieron los valores de velocidad correspondientes a cada voltaje suministrado en la alimentación, mediante la ecuación 2.2, que se logra a partir de un despeje de la ecuación 2.1. Con las mediciones realizadas se obtuvo la tabla de la característica estática del motor (ver anexo I), mediante esta y el uso del software MATLAB fue posible confeccionar la gráfica de la figura 2.4, que muestra la característica entrada contra salida del sistema, en la cual se puede observar claramente la zona muerta y la no linealidad que este posee. La zona muerta se encuentra aproximadamente entre +1.7 y.